高性能無(wú)紙記錄儀的研制流程與方案

一、概述

工業(yè)上常常需要記錄溫度、壓力、流量等信息，常規模擬記錄儀由于功能少、體現單一、需要記錄筆的缺點(diǎn)，正被無(wú)紙記錄儀取代。

作為一款以微處理器為核心、集液晶漢字與圖形體現為一體，具有無(wú)紙記錄、實(shí)時(shí)性好、通用性好、精度高、帶通信功能的智能化儀表，其市場(chǎng)廣闊。目前許多廠(chǎng)商正將目光聚焦于無(wú)紙記錄儀的彩屏化、大容量存儲、超大屏幕液晶體現等功能；然而對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，zui關(guān)心的是精度與可靠性、性?xún)r(jià)比等儀表的綜合性能，因此研究此類(lèi)標題尤為關(guān)鍵，紹興中儀依據市場(chǎng)調查信息研制開(kāi)發(fā)了高性能無(wú)紙記錄儀，提高了整體性能與可靠性。

二、設計方案

如下圖1，來(lái)自外部傳感器的模擬信號（壓力、溫度、流量等）經(jīng)過(guò)前端處理后進(jìn)行A/D轉換，經(jīng)過(guò)信號隔離后送入單片機完成數據處理，由LCD體現當前的壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累積流量等信息。通過(guò)鍵盤(pán)操作，可在各界面之間切換，分別體現各通道的實(shí)時(shí)、歷史數據及曲線(xiàn)、報警情況、斷電情況,以及每月、日、年度的累積流量。另外，提供通訊功能，可以通過(guò)和上位機通過(guò)串行口讀寫(xiě)參數與運行數據，實(shí)現打印等信息交互。

三、硬件組成

如圖1，高性能無(wú)紙記錄儀由信號采集、MSP430F149（以下簡(jiǎn)稱(chēng)430）、液晶體現及鍵盤(pán)、數據存儲、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通訊等模塊組成。

3.1MSP430F149單片機

MSP430F149是具有60K閃存ROM、2K RAM、 6個(gè)端口、2個(gè)16位計數器、兩路UART通信端口、具有端口和計數等多種制止模式、5種省電模式的高集成單片機，特別適用于復雜儀表系統的開(kāi)發(fā)。

3.2信號采集模塊

外部信號有標準電流、電阻、mV電壓、頻率信號等。當為模擬量時(shí)，為提高測量精度采用了4通道差分輸入、自帶儀表放大器、濾波器的16位精度、 SPI接口的AD 芯片CS5523芯片，通過(guò)光耦隔離后和430進(jìn)行通信。如圖2(a)、（b）、(c)分別是輸入為電流、熱電偶mV電壓、熱電阻信號時(shí)的處理電路。其中當熱電阻輸入時(shí)，采用高精度雙路精密電流源REF200提供,zui終接入AD 采樣端的信號U=UAN+-UAN-=(Rt+2r)I0-(R0+2r)I0=(Rt-R0)I0，可見(jiàn)消除了熱電阻導線(xiàn)電阻r的影響，保證了較高的測量精度。當頻率輸入（如渦街流量計輸出）時(shí)，采用光耦隔離后輸入430的TIMERA計數模塊進(jìn)行脈沖計數。

3.3液晶體現與鍵盤(pán)模塊

高性能無(wú)紙記錄儀采用3V、并口輸入128*64點(diǎn)陣形液晶模塊JM12864，實(shí)現圖文的綜合體現。采用2*3線(xiàn)接口，共6個(gè)按鍵，分別為前后追憶、通道、時(shí)標、確認、翻頁(yè)，通過(guò)弱上拉和430的P2口相連，采用上升沿觸發(fā)的方式產(chǎn)生制止通知430進(jìn)行處理。

3.4數據存儲模塊

為方便保存儀表參數，了解工藝參數歷史，采用了兩片EEPROM存儲器24C512。一片用于存儲通道運行數據，另一片用于分區存儲密度、漢字及字符字模數據、系統參數、記錄時(shí)間、掉電情況等信息，兩片存儲器通過(guò)弱上拉電阻并聯(lián)于同一總線(xiàn)上。

3.5實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

為了記錄系統的掉電、當前時(shí)刻下的日、月、年累積流量，需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號。這里采用通用ds1302芯片作為時(shí)鐘信號，由法拉電容作為備份電源。

四、軟件設計

4.1 系統主程序及制止

如圖3，主程序以檢測時(shí)間間隔為主線(xiàn)，分別進(jìn)行流量計算、實(shí)時(shí)信息記錄等操作，同時(shí)處理各外部事件。如圖4，制止程序檢測各種制止（由TIMERB連續計數提供的0.5s采集定時(shí)、鍵盤(pán)、通信等制止），進(jìn)行必要處理后記錄此信息，發(fā)送標志到主程序等待處理。

4.2 數據采集

將芯片復位,檢測并設定Configuration寄存器(包含轉換模式、復位標志、放大器截止頻率等參數),CSR（Channel- Setup寄存器,包括內部放大器增益、數據傳輸速率、通道、輸入電壓極性等設置）后，發(fā)送啟動(dòng)轉換命令，等待轉換完成(完成后SDO線(xiàn)會(huì )自動(dòng)變?yōu)?)。需要過(guò)細的是在系統在高電平時(shí)讀數，低電平時(shí)鎖存數據，必須嚴格保證系統時(shí)序，否則將引起讀寫(xiě)錯亂。

4.3 流量計算

先根據流量模型（開(kāi)方、線(xiàn)性等）得出流量計在工業(yè)狀況下的體積流量,一般需要轉化為工業(yè)標準狀況下的流量,這里根據儀表設置中的流量補償模式（一般氣體，、溫度/壓力補償、過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽等），查表得到密度，計算標準流量，提高精度

4.4 液晶體現

包括數據和曲線(xiàn)體現，是通過(guò)將相應液晶點(diǎn)寫(xiě)為1或0(亮或暗)實(shí)現的。128列*64行點(diǎn)陣LCD在體現時(shí)是以字節方式進(jìn)行操作的，一次寫(xiě)入1 列8行（共8個(gè)點(diǎn)），因此在數據體現時(shí)，首先要將字符所對應的字模數據，以從左到右、從上到下（列序）的取模方法順序寫(xiě)入表格中。在體現時(shí)查表將字模數據依次寫(xiě)入LCD即可。在體現曲線(xiàn)時(shí)，通過(guò)兩點(diǎn)之間連折線(xiàn)的方式進(jìn)行,其過(guò)程如圖5、圖6所示。

4.5 鍵盤(pán)處理

負責界面切換（流量體現、實(shí)時(shí)/歷史曲線(xiàn)、設定模式等界面）、菜單選擇、參數設置（包括通道類(lèi)型、量程、切除、報警設定，流量模型及系數K設定，流量補償模式及公式參數值設置，通訊參數設置，密碼設置，時(shí)間設置等）。

五、設計關(guān)鍵

5.1 合理的程序流程

（1）消息機制：系統需要處理的事件較多，有各種制止，若制止處理時(shí)間過(guò)長(cháng)，則會(huì )使系統不能及時(shí)進(jìn)行其它處理，導致系統錯誤。如若將流量計算程序置入數據采集定時(shí)制止處理程序中時(shí)，無(wú)意會(huì )使系統很難完成正常的串行通信。在此借鑒了WINDOWS系統消息處理機制，如4.1所述，即當系統發(fā)生外部制止時(shí)，只是進(jìn)行很少的必要操作，然后將該制止作標記，由主程序空閑時(shí)檢查此標志。

（2）菜單處理：將菜單按深度進(jìn)行定位，系統共有三級菜單用Step[3]吐露體現，根據Step[i]值判斷當前菜單位置，增強軟件的條理性。

5.2 數據存儲聽(tīng)從

儀表要記錄的通道歷史數據較長(cháng)，在有限的存儲空間應高效利用所有存儲區域。這里采用記錄各通道數據占通道量程比例的方式來(lái)壓縮數據，將比例限定在0-65535之間（2個(gè)字節，對應0-100%）。對于數據要求不高的場(chǎng)合設定采用1個(gè)字節來(lái)吐露體現。經(jīng)多次實(shí)驗知，可有效拓展記錄長(cháng)度。

5.3 數據運算的速度與精度

（1）雖然430可以進(jìn)行浮點(diǎn)運算，但運算將會(huì )消耗大量資源，而且浮點(diǎn)數一般只能保留7位有效數字，因此在進(jìn)行大數和小數運算時(shí)，會(huì )丟失許多有效位，使結果極不精確。筆者采用長(cháng)整數記錄有效數字，字符整數記錄小數點(diǎn)位置組合表達數據的方式進(jìn)行運算，有效提高了速度和精度。

（2）當外部信號為頻率輸入時(shí)，應將TIMERA配置為zui大連續計數方式，僅在計數溢出后清除溢出標志，然后根據前后1s內兩次脈沖之差（考慮是否溢出）得出脈沖數，否則可能會(huì )丟失脈沖。

（3）采集數據的精確性是影響精度的緊張因素，必須保證CS5523參考電壓的精度，并要求在電源穩定后采樣；在進(jìn)行通道切換后應把di一次轉換結果拋棄，否則將會(huì )引起很大的干擾誤差。即便如此，由于電路噪聲、標準電阻使用環(huán)境及接線(xiàn)的影響無(wú)意還會(huì )導致采樣不準，此時(shí)需要采用CS5523自身的校驗方式去除失調電壓，并通過(guò)軟件進(jìn)入校驗模式，采用標準輸入信號進(jìn)行標定。

5.4 系統的可靠性

采取了以下實(shí)用的措施保證可靠性：

（1）干擾緊張是通過(guò)電源和外部輸入引入的，為防止系統意外重起或死機，這里采用電源濾波器和光電耦合隔離的方式。

（2）采用看門(mén)狗保障系統在故障情況下自動(dòng)恢復運行[。

（3）在對LCD和EEPROM寫(xiě)入數據后，立刻讀出所寫(xiě)數據進(jìn)行校驗，保證數據傳輸正確。

（4）采用內部備份電源，掉電后自動(dòng)保存所有數據并進(jìn)入休眠狀態(tài)。

（5）理清程序結構，采用模塊化方法提高可移植性。

5.5 系統的適應性

由于工業(yè)測量介質(zhì)的多樣化，介質(zhì)標準密度表不盡相通，而且隨著(zhù)傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，可能出現新型熱電偶或熱電阻。為增強系統的靈活性，在軟件上預留分外的輸入類(lèi)型，只要將設定在廠(chǎng)商模式下，即可通過(guò)串口向內部EEPROM寫(xiě)入密度或分度表數據。

五、結論

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：以提高系統精度、可靠性和易用性為設計核心，采用了高精密自校驗的采集方案，軟件上借鑒了WINDOWS的消息機制，提出了采用整型數據代替浮點(diǎn)數運算等提高速度和聽(tīng)從的方案，并開(kāi)放內部表格提高了系統的靈活性。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現整機的精度可達到0.2%以上，且具有較好的人機接口、適應性和可靠性，因此應用前景廣闊。

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